惡性腫瘤中雙硫死亡的新動向和未來展望

王騰飛, 陳 乾, 左 石

(1. 貴州醫(yī)科大學臨床醫(yī)學院, 貴州 貴陽, 550000;貴州醫(yī)科大學附屬醫(yī)院, 2. 肝膽外科, 3. 器官移植科, 貴州 貴陽, 550000)

惡性腫瘤的重要特點之一是逃逸細胞死亡,從最初的調節(jié)性細胞死亡和意外性細胞死亡到細胞凋亡或其他新的細胞死亡形式均對惡性腫瘤的發(fā)展起著重要作用,對于細胞死亡通路的研究也愈發(fā)變得精細,并逐步揭示這些新型細胞死亡途徑的分子機制及生化特點,為惡性腫瘤的靶向治療提供了一系列新的希望靶點[1-3]。近段時間,一種新的依賴于高表達溶質載體家族7成員11(SLC7A11)的惡性腫瘤細胞在缺乏葡萄糖的條件下的細胞死亡新形式——雙硫死亡,在腫瘤相關研究[4]中逐漸成為新的熱點,因其在腫瘤的發(fā)展及耐藥等諸多方面發(fā)揮重要作用而備受學者關注。本文就腫瘤細胞死亡方式中的雙硫死亡類型進行各方面概述,如其發(fā)現(xiàn)歷程、特點及具體調控機制、臨床意義等。

1 雙硫死亡的發(fā)現(xiàn)及特點

受到調節(jié)的細胞死亡方式不僅在機體的發(fā)育和細胞的穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮關鍵作用,其平衡的破壞如異常失調與包括腫瘤在內的多種疾病密切相關[5-6]。腫瘤細胞的逃逸是腫瘤的核心標志之一[7-8], 許多腫瘤細胞對細胞凋亡誘導療法的對抗性使許多研究者產生了探尋其他細胞受調節(jié)的死亡形式的興趣。

早在上世紀80年代, THONART P等[9]注意到胱氨酸-谷氨酸逆向轉運系統(tǒng)是機體抑制攝取胱氨酸,導致谷胱甘肽(GSH)耗竭的反向轉運蛋白,其中胱氨酸是GSH的關鍵氨基酸類的組成部分。胱氨酸-谷胱甘肽逆向轉運系統(tǒng)由二硫鍵連接的輕鏈亞基的胱氨酸轉運體溶質載體家族7成員11(SLC7A11)和重鏈亞基溶質載體家族3成員2(SLC3A2) 組成[10-11]。研究[12-14]證實, SLC7A11在人體大多數(shù)腫瘤中異常表達,這些異常表達的腫瘤細胞通過高表達SLC7A11來維持機體的GSH豐度,從而平衡因腫瘤細胞代謝所致的氧化應激。研究[4]發(fā)現(xiàn), SLC7A11高表達的腫瘤細胞在低葡萄糖的條件下,腫瘤細胞內的二硫化物異常積累,引發(fā)調節(jié)細胞骨架中的二硫鍵的含量增加,使得腫瘤細胞骨架劇烈收縮,從而使其與細胞膜分離,并破壞腫瘤細胞中的骨架結構,使得其骨架成分發(fā)生破壞,最終誘發(fā)腫瘤細胞的死亡。這種新的細胞死亡形式,有別于程序性死亡、鐵死亡、銅死亡、細胞凋亡等,被定義為雙硫死亡。

2 雙硫死亡機制

研究[15-17]提出雙硫應激的概念,即硫醇特異性氧化還原體系在抗氧化應激、維持機體細胞內硫醇-二硫化物的穩(wěn)定起著重要作用。硫醇在過氧化物(如過氧化氫)的氧化下變?yōu)閬喕撬峄蛘呋撬?進一步影響亞磺和硫醇之間形成二硫化物,這種二硫化物在二酰胺的作用下發(fā)生氧化應激反應[18]。研究[19]表明,在腫瘤細胞饑餓的條件下,高表達SLC7A11的腫瘤細胞更易死亡。但進一步研究表明,這種現(xiàn)象是因饑餓條件下細胞糖酵解產生的煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸(NADPH)不能滿足供應腫瘤細胞中胱氨酸轉變?yōu)榘腚装彼岬倪^程,引起細胞中二硫化物的應激,誘發(fā)肌動蛋白細胞骨架蛋白中的二硫鍵收縮,從細胞膜上分離,并最終導致細胞死亡[20]。這種細胞死亡形式不能被其他的細胞死亡抑制劑所逆轉,但可以被硫醇類死亡還原劑(TCEP)所抑制。為了探究這種雙硫死亡細胞是否受到其他死亡方式的干擾,相關研究[4]特地在細胞中分別敲除鐵死亡另一關鍵通路蛋白酰基輔酶A合成酶長鏈家族成員4(ACSL4)和凋亡關鍵誘導蛋白 BAX/BAK, 雖然能夠抑制葡萄糖充足條件下的細胞死亡,卻依然無法逆轉葡萄糖饑餓條件下的死亡。由于葡萄糖與能量代謝有關,研究者還關注了三磷酸腺苷(ATP)在該死亡方式中的作用。然而結果卻顯示SLC7A11過表達的細胞在葡萄糖饑餓條件下ATP水平高于對照組,敲除SLC7A11后可逆轉葡萄糖饑餓下二酰胺誘導的細胞死亡,由此證明這種新型死亡方式與二硫化物應激有關,與ATP水平無關[10]。由此可定義雙硫死亡: 一種新型細胞死亡方式,獨立于現(xiàn)存的凋亡、鐵死亡、壞死性凋亡、銅死亡等細胞程序性死亡,是由細胞內過量胱氨酸積累引起的二硫化物應激導致的快速死亡方式。

3 細胞內生化過程對雙硫死亡的調控

研究[11]表明, SCL7A11高表達的細胞可迅速將胱氨酸還原為半胱氨酸,可有效防止胱氨酸在細胞內的過度積累。在這個步驟中,一個胱氨酸通過還原反應轉化為2個無細胞毒性的半胱氨酸分子,并消耗細胞內的NADPH。通過這種方式,生物體內的細胞可產生葡萄糖和磷酸戊糖, SLC7A11高表達的細胞需要正常的NADPH供應,因此葡萄糖是生物體內的細胞生長因子,一旦缺乏葡萄糖, NADPH就會耗盡。在葡萄糖缺乏的SLA7A11的細胞中,胱氨酸或其他二硫化物的過度積累會誘發(fā)產生雙硫應激,導致細胞迅速死亡。

4 雙硫死亡與腫瘤的關系

鑒于雙硫應激誘導雙硫死亡的機制, LIU X G等[4]研究指出了針對惡性腫瘤中的雙硫死亡的治療靶點。SLC7A11高表達的細胞在氧化還原中形成二硫鍵(正常情況下,細胞漿的蛋白質不會形成二硫鍵),當細胞處于低葡萄糖環(huán)境時, NADPH消耗會增加,同時雙硫應激也會增加,從而破壞蛋白質的活性或功能,導致細胞活力受到損害。由于處于低葡萄糖環(huán)境中,細胞中的肌絲蛋白聚集,肌動蛋白的雙硫化過程收縮,而NCK相關蛋白1基因(NCKAP1)可促進肌動蛋白的聚合,敲除該基因,則可明顯減緩雙硫死亡的過程[21]。然而SLC7A11和SLC3A2蛋白表達水平、胱氨酸攝取速度和量以及尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸與煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸的比值(NADP+/NADPH)不受NCKAP1的影響,但葡萄糖缺乏誘導的二硫鍵、肌動蛋白的收縮卻有所減弱。NCKAP1可通過RAC1的過表達被激活,導致與其他的NCKAP1亞基形成波形調節(jié)復合物(WRC)[22], 從而引起細胞形成片狀偽足(片狀偽足中的肌動蛋白網絡分支是雙硫化物的關鍵靶標),從而影響細胞的雙硫死亡。LIU X G等[4]指出,其他重要的生理蛋白,如RNA結合蛋白和核苷酸結合蛋白,也容易受到雙硫化物應激的影響。這些蛋白質有助于理解亞砜和二甲基亞砜的致死機制。此外,這些蛋白質對于探索更有效的惡性腫瘤的治療方案也是不可或缺的力量。

5 雙硫死亡的意義

細胞穩(wěn)態(tài)機制對于雙硫死亡相關研究十分重要。糖酵解起始于葡萄糖,葡萄糖通過葡萄糖轉運體轉移至細胞膜。因此,針對葡萄糖轉運體治療惡性腫瘤亦是一項療效不錯的干預措施。葡萄糖轉運體對SLC7A11高表達的腫瘤細胞效果十分顯著,如KL-11743和Bay-876等葡萄糖轉運體抑制劑能有效阻滯葡萄糖攝取,此外,葡萄糖抑制劑會破壞F-肌動蛋白網絡和與二硫鍵骨架結合[23]。用Bay876處理可減少SLC7A11高表達的人肺鱗癌細胞(NCIH226)異種移植腫瘤的生長,導致細胞頻繁死亡。在 SLC7A11高表達的惡性腫瘤中,葡萄糖制劑可能會通過雙硫化物的狀態(tài)和細胞死亡產生治療效果。

在這種細胞調節(jié)方式中,許多蛋白質和信號通路都參與其中。其中一個關鍵的調節(jié)因素是細胞氧化還原狀態(tài)以及細胞內的二硫鍵的形成和裂解。當然,影響細胞中氧化還原反應的因素多種多樣,如細胞內外環(huán)境和細胞的新陳代謝狀態(tài)。二硫鍵的形成和斷裂受到細胞內氧化還原狀態(tài)的影響。其中硫氧化酶和硫酸酶,這些氧化還原酶會影響細胞的氧化還原狀態(tài)[24]。 此外, NF-κB信號通路和c-Jun 氨基末端激酶(JNK)受體信號途徑也已被證實在雙硫化物形成中發(fā)揮著重要作用[25]。為此,有必要對雙硫死亡的調控機制進行進一步研究。深入開發(fā)新的腫瘤治療方法,首先就必須更好地了解與雙硫死亡相關的蛋白質和信號通路。研究人員有望開發(fā)抑制葡萄糖轉運體或磷酸戊糖途徑代謝的新型腫瘤治療方法。

6 雙硫死亡治療的展望

雙硫死亡的機制研究[26]是一個重要的疾病治療領域新方向。在惡性腫瘤方面,細胞內的雙硫死亡與細胞中的氧化應激發(fā)揮作用,侵襲性偽足的形成過程可能會使轉移性的惡性腫瘤細胞發(fā)生更多雙硫應激[27]。在心腦血管疾病方面,依據(jù)雙硫死亡的機制,通過抑制二氧化硫可減輕細胞的損傷[28]。除了心血管疾病和神經系統(tǒng)疾病,硫誘導的細胞死亡也被認為是一個重要的治療靶點。因此,雙硫死亡是一種非常有前景的疾病治療機制,但需要進一步的研究和探索。

為了更好地研究雙硫死亡在細胞生物學和疾病治療中的作用,未來還需要進一步探索其機制和調控方法。此外,開發(fā)和篩選更有效的雙硫死亡誘導劑和抑制劑可提高其在惡性腫瘤中的應用。當然,雙硫死亡仍需和其他的細胞死亡形式組合研究,以完善惡性腫瘤細胞死亡的調節(jié)體系。

7 小 結

綜上所述,在腫瘤細胞的微環(huán)境中,細胞死亡是一個生理過程,能維持生物發(fā)展和平衡。而腫瘤疾病的治療重點是通過各種靶向細胞死亡途徑殺死癌細胞。細胞內胱氨酸積累過多導致二硫化物破解,肌動蛋白崩解。具體而言, SLC7A11的高表達會促進胱氨酸在細胞內攝取,而在葡萄糖饑餓條件下, NADPH的耗竭會導致雙硫應激、二硫鍵大量積累,引發(fā)肌動蛋白細胞骨架蛋白之間的二硫鍵交聯(lián)異常和細胞骨架收縮,最終導致肌動蛋白網絡破裂和細胞死亡。雙硫死亡加深了研究者對腫瘤細胞死亡模式的理解,將來雙硫死亡的治療勢必會成為具有高度侵襲性和異質性、預后不良且發(fā)病率不斷增高的惡性腫瘤患者有效、安全的治療選擇。